动荷载作用下全级配混凝土细观开裂机理研究结题摘要

本项目针对大体积混凝土的静、动态特性和破坏机理开展了系列研究，运用数值模拟、试验相结合的手段，在以下方面取得了系列成果： 为了研究地震、风和波浪等低周往复荷载对混凝土力学性能的影响，本项目在研究过程中发明了一种能够施加往复动荷载的紧凑拉压加载装置，该试验装置可实现对混凝土试件施加往复劈拉荷载。浇筑了450×450×200mm的混凝土大试件，并进行往复劈拉试验，用数字图像相关技术和传统电测方法相结合的手段对动态试验过程进行量测，结果表明往复荷载对界面的影响要远大于骨料和砂浆。在对地震等往复荷载作用下混凝土进行数值模拟时，界面强度应该作为一个随时间退化的函数。基于试验结果，考虑弱不连续（骨料和砂浆粘结）和强不连续（裂缝）耦合作用时，缝端附近局部位移场的分布，建立了含多相材料的裂尖单元开裂准则；通过自研软件2D-RAS生成数值混凝土试件，根据混凝土模型中骨料、界面和砂浆的图像像素特点研究四叉树网格剖分方法，生成界面加密的自适应比例边界有限元（SBFEM）计算网格；根据细观混凝土三相组成材料的力学特性和几何特性，结合试验的相关成果，发展了一种新的细观层次混凝土裂纹扩展模拟的SBFEM分析方法；结合有限域-无限域的耦合模型及多边形网格重划分方法，提出了一种适用于大坝-无限地基系统的动态断裂分析方法；用自编混凝土随机骨料生成软件（2D-RAS）生成不同骨料含量的混凝土数值试件，研究细观尺度下混凝土力学行为对其导热性能的影响，揭示了有效导热系数在拉伸破坏过程中的变化规律。 以上成果为进一步深入研究混凝土复合材料的破损机理奠定了基础，研究开发的比例边界有限元法程序可用于实际工程开裂分析，具有广阔的应用前景。 2100433B

地震荷载作用下全级配混凝土动态开裂与扩展是混凝土坝性能评价的关键基础性工作。目前，国内外多采用数值方法对混凝土的开裂与扩展进行特定条件下的分析研究。然而，鉴于全级配混凝土具有典型的非线性特征，数值分析结果往往不能准确反映实际的开裂与扩展动态行为。从而，先进物理模型试验基础上的全级配混凝土动态开裂与扩展机理研究具有突出的重要性。本课题将全级配混凝土看成由不同级配骨料、砂浆以及界面组成的复合材料，拟采用先进的数字图像相关技术（DIC），借助先进的非接触光测实验仪器，对动载下全级配混凝土试件缝端应变场和裂纹扩展过程进行全场测量，基于得到的全场位移分布的变化过程，提取缝端位移变化规律和特点，进而构造混凝土复合材料缝端位移场分布函数，并研制适合于混凝土动态开裂与扩展的新型扩展有限元数值分析模块。预期成果能够揭示动载下混凝土开裂破坏的细观过程和物理机制，对地震荷载作用下混凝土坝性能评价提供科学依据。

目前，我国西南地震带附近已建或在建了一批200-300m级高堆石坝，因此深入认识地震作用下的堆石体锚固效应细观机制并确保大坝在极端条件下的安全稳定有重要的现实意义。本项目以地震动作用下堆石体的细观响应为研究主线，考虑了动力作用对堆石体颗粒破碎的影响，建立了堆石颗粒动力损伤本构模型。颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响，本项目一方面研究了考虑真实形状的单颗粒破碎的力学行为，并发现了颗粒形状对于破碎强度的韦伯分布影响的一般规律；另一方面，进一步对不同破碎模式带来的宏细观影响进行探究，模拟了不同破碎模式下，单轴压缩实验中颗粒集合体破碎演化过程及结果，重点探究了静水压力状态对破碎演化带来的影响，并对破碎发生的空间关系进行了分析。同时，本项目研究了堆石颗粒表面细观特征对动力响应的影响，建立了三维随机多面体颗粒动力接触模型和锚杆与堆石体相互作用动力接触模型，提出了考虑堆石体动力锚固效应的三维随机散粒体模拟方法。通过物理试验和数值分析，在宏、细观多层次上揭示动力作用下堆石体的力学响应及锚固效应作用机理；改进了现有的堆石体宏观动力本构模型，并探讨其合理性和适用性，并提出了加锚堆石体宏观力学参数的确定方法。本项目的研究成果将有助于推动堆石体宏细观动力学发展，可为我国西部高烈度地震区的200m~300m级高堆石坝建设提供重要的理论依据和技术支持，并推动相关领域设计和研究工作的发展，提高我国高堆石坝的设计和研究水平。 2100433B

我国西南地震带附近已建或在建了一大批高堆石坝，其中许多坝高达到了200-300m级。由于坝高、库大，一旦遭遇超强震而失事，其后果不堪设想。由于地震动作用的复杂性、堆石体材料的非连续、非均质及各向异性等使得人们对堆石体宏细观动力响应机制的认识还不够深入，关于地震动作用下的堆石体锚固作用的研究还不能满足工程实践的需求。本项目以地震动作用下堆石体的细观响应为研究主线，通过室内动三轴试验及数值模拟在宏、细观多层次上研究地震作用下堆石体锚固效应的细观机制。考虑地震动对颗粒破碎的影响，引入损伤变量建立堆石体动力本构模型；研究堆石颗粒表面细观特征对地震响应的影响，建立三维随机多面体动力接触模型；提出三维随机散粒体动力细观模型，改进现有的堆石体宏观本构模型。研究成果将有助于推动堆石体宏细观动力学发展，可为我国西部高地震烈度地区高堆石坝工程的设计、施工提供技术支撑，进一步完善高堆石坝设计理论。